京津冀地區(qū)地震臺網(wǎng)監(jiān)測能力分析

牟磊育 鄭鈺

中國地震局地球物理研究所，北京市海淀區(qū)民族大學(xué)南路5號 100081

0 引言

我國是一個多地震的國家，地震學(xué)家們一直致力于地震監(jiān)測和預(yù)測的研究工作。在“十五”期間，通過實(shí)施“中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目”，建成了國家、省和市（縣）三級管理的1200多個地震監(jiān)測臺站，組成了覆蓋全國的地震觀測網(wǎng)絡(luò)，從而進(jìn)一步提高了我國的地震監(jiān)測能力。關(guān)于區(qū)域臺網(wǎng)的監(jiān)測能力，不少科研人員做了相關(guān)工作（郝春月等，2005、2006；李涌等，2007；王炎等，2001；張有林等，2005；張黎珍等，2002；孟智民等，2002；洪星等，2005；李雪英等，2005；尹繼堯等，2011；張玲等，2010；王小龍，2007；趙永海等，2010；姚宏等，2008）。但對于京津冀地區(qū)，目前還鮮有類似的工作成果。這里的地震監(jiān)測能力分析對于首都圈地區(qū)的地震臺站建設(shè)及地震預(yù)測研究都具有重要意義。在此，我們利用臺站背景噪聲和近震震級公式對京津冀地區(qū)的理論監(jiān)測能力進(jìn)行了分析與研究，并與實(shí)際地震目錄進(jìn)行了對比分析。

1 京津冀地區(qū)臺網(wǎng)概況

京津冀地震臺網(wǎng)包括北京地震臺網(wǎng)、天津地震臺網(wǎng)與河北地震臺網(wǎng)。經(jīng)過“十一五”期間的建設(shè)，北京臺網(wǎng)已包括19個地震臺，天津臺網(wǎng)包括31個地震臺，河北臺網(wǎng)包括53個地震臺。目前京津冀地區(qū)一共已有103個地震臺，布設(shè)的地震計(jì)主要有FBS-3B、FSS-3DBH、CTS-1、CMG-3ESPC等，數(shù)采主要應(yīng)用EDAS-24 IP、CMT-24、DM 24等，采樣率主要為50sps和100sps。天津臺網(wǎng)各臺站的高程均為-200m以上，北京臺網(wǎng)各臺站高程為-200～600m，河北臺網(wǎng)地震臺站的高程均在海平面以上，為7～1400m。

中國的地震活動主要分布在5個地區(qū)的23條地震帶上。在這5個地區(qū)中，華北地區(qū)的地震強(qiáng)度和頻度僅次于青藏高原，位居全國第二。由于京津冀地區(qū)位于華北區(qū)域內(nèi)，所以格外引人關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)有據(jù)可查的8級地震曾發(fā)生過5次；7～7.9級地震曾發(fā)生過18次。加之這里人口稠密、大城市集中，是政治和經(jīng)濟(jì)、文化、交通都很發(fā)達(dá)的地區(qū)，地震災(zāi)害的威脅就更為嚴(yán)重。所以研究該地區(qū)的臺網(wǎng)密度與實(shí)際地震分布對該地區(qū)的地震監(jiān)測和預(yù)測研究具有非常積極的意義。

2 京津冀地區(qū)地震臺網(wǎng)的理論監(jiān)測能力評估

2.1 理論監(jiān)測能力的評估方法

2.1.1 利用近震震級公式估算京津冀地震臺網(wǎng)對近震的定位能力

測定近震的震級一般用ML震級公式，而最初的ML震級是由里克特在1933年研究美國加利福尼亞地震時(shí)提出的，即

其中，A為三分向地震計(jì)記錄的南北和東西2個水平分量中最大振幅的平均值；A*為某一標(biāo)準(zhǔn)震級（零級）地震的振幅。當(dāng)時(shí)的零級地震是指用伍德-安德森式標(biāo)準(zhǔn)地震儀（靜態(tài)放大倍數(shù)2800，周期0.8s，阻尼系數(shù)0.8），在震中距Δ＝100km時(shí)記錄下的2個水平分量的最大振幅平均值為1μm（10-3mm）的地震。

而我國的近震震級公式是把我國現(xiàn)用儀器的記錄振幅換算成標(biāo)準(zhǔn)地震儀（即W-A）的最大振幅而得到的適合中國地震儀器的震級公式，即

式中，ML為用近震體波計(jì)算的震級；Aμm為以μm為單位的最大地動位移；R（Δ）為量規(guī)函數(shù)，即震級的起算函數(shù)；S（Δ）為臺站校正值（傅淑芳等，1980）。

為了估算京津冀臺網(wǎng)的監(jiān)測定位能力，本文用中國近震震級公式，雖然此震級公式的量規(guī)函數(shù)是基于當(dāng)時(shí)的基式地震儀和62、64型地震儀，而現(xiàn)在的京津冀各臺站所用的是寬頻帶地震儀，但寬帶數(shù)據(jù)經(jīng)過短周期濾波后，相當(dāng)于短周期地震儀記錄的數(shù)據(jù)，理論上利用此公式進(jìn)行估算是可行的。由于臺站校正值一般很小，在我們的誤差許可范圍內(nèi)，所以我們認(rèn)為 S（Δ）為零。而式（2）則變?yōu)?/p>

2.1.2 估算方法

在近震中，最大體波振幅一般為S波振幅。我們認(rèn)為近震Pg波的振幅是背景噪聲振幅的2倍時(shí)，便可以清晰地識別，而S波振幅一般為Pg波振幅的3倍。據(jù)此，如果知道了背景噪聲的平均位移值，則可獲得一個近震的最大地動位移。這樣就可以把這個最大振幅Aμm值（即以μm為單位的最大地動位移）代入式（3），并計(jì)算在該位移值固定情況下，不同震級的量規(guī)函數(shù)，再根據(jù)量規(guī)函數(shù)表查出不同震級下的最大震中距，這樣就得到了每個臺站所能檢測到的不同震級的最大震中距。假定最少有3個臺站能檢測到的地震就認(rèn)為是可被定位的地震，按照這個原則，可得出京津冀臺網(wǎng)對近震的定位能力。

2.2 臺站（BJT）背景噪聲的計(jì)算

由上可知，要想算出京津冀地區(qū)的理論監(jiān)測能力，必須知道京津冀臺網(wǎng)各臺站的背景噪聲平均位移。而背景噪聲即地脈動是隨季節(jié)和氣候而變化的，分析100多個臺站多年的噪聲變化是一個不小的課題。由于我們對監(jiān)測能力的評估允許一定的誤差，所以決定采用地理位置優(yōu)越、技術(shù)水平一流、影響范圍廣的北京地震基準(zhǔn)臺，即BJT地震臺的背景噪聲平均位移作為京津冀地區(qū)各臺站的平均背景噪聲位移。

BJT地震臺既是中美合作的中國數(shù)字地震臺網(wǎng)（CDSN）的臺站之一，也是全球地震臺網(wǎng)（GSN）的臺站之一，是國際一流的臺站，其數(shù)據(jù)在IRIS可以直接下載。BJT在2013年進(jìn)行了第3次升級改造，寬頻帶地震計(jì)由STS-2換成STS-2.5。采集器由原來的Q680換成Q330。BJT臺站的數(shù)據(jù)可靠而精確，一直保持國際一流水平。

2.2.1 BJT臺站背景噪聲平均位移的計(jì)算

BJT地震臺位于北京西郊，目前使用瑞士Streckeisen公司出產(chǎn)的STS-2.5高性能甚寬帶速度地震計(jì)。數(shù)據(jù)采集器則是由美國Kinemetrics公司生產(chǎn)的Q330，Q330是以IP為基礎(chǔ)的超低功耗、高動態(tài)范圍的數(shù)據(jù)采集器。STS-2.5地震計(jì)的傳遞函數(shù)為（http：／／service.iris.edu／iriswsresp1／）

我們隨機(jī)選取了BJT地震臺2014年5月20～27日記錄的地震噪聲數(shù)據(jù)，計(jì)算了該時(shí)段的背景噪聲水平。取盡可能平靜的時(shí)段，不包含地震事件、脈沖等大振幅的信號或噪聲。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過去均值、去傾向、去除儀器響應(yīng)等預(yù)處理后，在時(shí)間域進(jìn)行積分，把速度值變?yōu)槲灰浦怠Ｓ捎贐JT的儀器為寬頻帶記錄儀，為了應(yīng)用近震震級公式，把轉(zhuǎn)變成位移值的數(shù)據(jù)進(jìn)行短周期濾波（2～8Hz），獲得類似于短周期地震計(jì)記錄的地震波形。圖1所示的是2014年5月23日4h前、11h前、16h前、23h前 1800s的背景噪聲位移。這幾個時(shí)段的背景噪聲位移大約為0.05μm。

為了更直觀地了解BJT地震臺三分向背景噪聲的變化，計(jì)算了2014年5月20～27日高噪聲時(shí)段（UTC時(shí)間 12：00、13：00、14：00、15：00）和低噪聲時(shí)段（UTC時(shí)間21：00、22：00、23：00、00：00）噪聲的位移變化（圖2）。圖2（a）給出了 BJT地震臺在低噪聲時(shí)段的噪聲變化，該時(shí)段相當(dāng)于北京時(shí)間的 5：00、6：00、7：00、8：00；圖 2（b）給出了高噪聲時(shí)段的噪聲變化，該時(shí)段相當(dāng)于北京時(shí)間的 20：00、21：00、22：00、23：00?？梢钥闯?，在低噪聲時(shí)段，水平向背景噪聲位移值在0.015μm左右；在高噪聲時(shí)段，水平向背景噪聲位移值在0.025μm左右。在個別日期的個別時(shí)段，背景噪聲位移值會超出平均范圍。

由此得出2014年5月20～27日8天內(nèi)BJT地震臺三分向的背景噪聲位移最高約為0.04μm。BJT三分向（Z向、SN向、EW 向）的平均噪聲位移分別為 0.0205、0.0260和0.0201μm。由于式（3）中的 Au為（AμEW+AμSN）／2，所以我們選擇 Au＝（0.026+0.0201）／2＝0.02305μm。如此以 BJT為參考點(diǎn)，京津冀所有地震臺站的假設(shè)背景噪聲位移均為0.02305μm，用以評估所有臺站的理論監(jiān)測能力。

2.2.2 BJT臺站背景噪聲功率譜的計(jì)算

為了更進(jìn)一步了解BJT地震臺的背景噪聲水平，計(jì)算了該臺2014年5月20～27日內(nèi)的噪聲功率譜，并與國際流行的噪聲模型進(jìn)行了比較。

圖1 BJT地震臺2014年5月23日4、11、16、23時(shí)前半小時(shí)的背景噪聲位移

功率譜的計(jì)算采用Welch平均周期圖法，Welch法是改進(jìn)后的周期圖法。Welch平均周期圖法是把一長度為N的數(shù)據(jù)分成L段，每段長度為M，分別求每一段的功率譜，然后求平均值。每一段的譜需作加窗處理，其功率譜可由下式（胡廣書，1997；張峰等，2009）

xN（n）為長度為N的數(shù)字序列；為了保證所得到的譜是漸進(jìn)無偏估計(jì)，令U為歸一化因子，d（n）是漢寧（hanning）窗 0.5±0.5×cos（2pin／N）。這樣幾段的平均功率可由下式?jīng)Q定

根據(jù)以上原理，取1800s的時(shí)段，共36000點(diǎn)進(jìn)行功率譜的計(jì)算（采樣率20）。采用hanning窗，把36000點(diǎn)的數(shù)據(jù)分段后，每段4096點(diǎn)，共約8個數(shù)據(jù)段，每段和下一個數(shù)據(jù)段有50%的重疊，計(jì)算出每段功率譜后進(jìn)行平均以減少估計(jì)的方差。圖3所示的是2015年5月23日 4：00、11：00、16：00、23：00時(shí)前半個小時(shí)的噪聲功率譜，上下 2條曲線分別為 Peterson新高噪聲模型（NHNM）和新低噪聲模型（NLNM）。該模型是Peterson在1993年對全球各地正常噪聲進(jìn)行了研究，獲得的全球公認(rèn)的新高噪聲模型和新低噪聲模型?？梢钥闯觯珺JT地震臺1Hz以下頻率的噪聲水平較低，接近于 NLNM。相對于Peterson噪聲模型，BJT臺站1Hz以上頻率的噪聲水平屬于中等程度。

圖2 2014年5月20～27日BJT地震臺低噪聲時(shí)段與高噪聲時(shí)段的背景噪聲位移變化

2.3 京津冀地震臺網(wǎng)的理論監(jiān)測能力

我們以BJT臺站的背景噪聲為參考，假設(shè)京津冀地區(qū)的平均噪聲位移均為0.02305μm，該噪聲值乘以2倍作為Pg信號的最小檢測位移，再乘以3倍作為Sg波的最小檢測位移，代入式（3）計(jì)算各臺在各震級處的能記到該震級地震的最遠(yuǎn)震中距。3個臺均能記錄則表示能夠定位該地點(diǎn)，如此我們獲取了京津冀臺網(wǎng)對近震的定位能力范圍（圖4）。

如圖4所示，天津大部分地區(qū)都能監(jiān)測到ML1.0的地震，而北京地區(qū)地震臺站分布較稀疏，所以監(jiān)測能力要弱于天津，其西北大部地區(qū)不能達(dá)到監(jiān)測ML1.0地震的能力。雖然該估算設(shè)置了一些初始條件，但是作為一個大概的評估，可以看出其西北地區(qū)的監(jiān)測能力明顯低于其東南部和天津大部分地區(qū)。京津冀所有地區(qū)均能夠監(jiān)測ML2.5及以上地震，北京和天津所有地區(qū)均能夠監(jiān)測ML2.0及以上地震。

3 京津冀地區(qū)地震臺網(wǎng)的監(jiān)測能力檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)京津冀地區(qū)地震臺網(wǎng)的實(shí)際監(jiān)測能力，我們從中國地震臺網(wǎng)中心（CENC）下載了京津冀地區(qū)的地震目錄。根據(jù)2002年1月～2013年10月間的1萬余條地震目錄，得到京津冀地區(qū)的地震分布圖（圖5）。由圖5看出，地震呈2個條帶狀分布，京津冀地區(qū)內(nèi)40°N左右的地震條帶屬于華北平原地震帶，這個地區(qū)的監(jiān)測能力很強(qiáng)，與之能夠達(dá)到同等程度的是河北省的西南部地區(qū)，如此強(qiáng)的監(jiān)測能力都與這些地區(qū)臺站密度大有關(guān)。在115°E右側(cè)的地震條帶屬于汾渭地震帶，其中段由于臺站稀疏，監(jiān)測能力只到ML1.5級。

圖 3 BJT地震臺 2014年 5月 23日 4：00、11：00、16：00、23：00時(shí)前半個小時(shí)的背景噪聲功率譜

4 京津冀地區(qū)的監(jiān)測薄弱區(qū)

針對理論監(jiān)測能力的計(jì)算作如下假設(shè)：①以BJT地震臺站的背景噪聲水平代表所有京津冀臺站的背景噪聲水平；②當(dāng)Pg震相是噪聲的2倍時(shí)才確認(rèn)為成功檢測；③最少有3個臺站的完整記錄才確認(rèn)能夠定位該地震。而實(shí)際情況是，有的臺站遠(yuǎn)離市區(qū)，比較安靜，高頻背景噪聲相對較低，比BJT的監(jiān)測能力強(qiáng)。在實(shí)際工作中，Pg震相小于噪聲的2倍時(shí)，也可以用肉眼識別并參與定位。而且通常情況下如果1個臺有小震記錄，且tS-tP較小，可以認(rèn)為是臺站附近的地震時(shí)，區(qū)域臺網(wǎng)也可以給出該臺站的經(jīng)緯度作為地震的震中，同時(shí)給出tS-tP值，并提供地震目錄。這是理論計(jì)算與實(shí)際地震目錄的差別所在。

京津冀地區(qū)的地震主要分布在2個地震帶上，綜合理論計(jì)算與實(shí)際地震分布發(fā)現(xiàn)40°N附近小震頻繁，屬于華北平原地震帶，而從圖4看，北京西部地區(qū)與河北省40°N附近臺站較少，理論監(jiān)測能力圖顯示對該地區(qū)的監(jiān)測能力不足。既然臺站少，監(jiān)測能力不足，而該地區(qū)又發(fā)生了如此多的地震，這可能表明該地區(qū)大部分小震的定位不能滿足多臺定位，即實(shí)際定位精度需要提高。另外一個地震帶為汾渭地震帶，除了河北省最南部地區(qū)監(jiān)測能力較強(qiáng)外，地震帶中段均少有ML＜1.5的地震記錄，這條地震帶上的臺站分布稀疏，基本不能滿足ML1.5的地震下限。

圖4 京津冀地區(qū)近震監(jiān)測能力

圖5 京津冀地區(qū)2002年1月～2013年10月的地震分布

5 結(jié)論

華北地區(qū)主要有4個地震帶，其中京津冀地區(qū)有2個主要地震帶，即華北平原地震帶和汾渭地震帶。華北平原地震帶是對京津唐地區(qū)威脅最大的地震帶，1679年河北三河8.0級地震、1976年唐山7.8級地震就發(fā)生在這個帶上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該地震帶共發(fā)生4.7級以上地震140多次。其中7.0～7.9級地震5次；8級以上地震1次。而汾渭地震帶，是我國東部又一個強(qiáng)烈地震活動帶。1303年山西洪洞8.0級地震、1556年陜西華縣8.0級地震都發(fā)生在該地震帶上。1998年1月張北6.2級地震也在該地震帶的附近。有記載以來，該地震帶內(nèi)共發(fā)生4.7級以上地震160次左右。其中7.0～7.9級地震7次；8級以上地震2次（傅征祥等，1994）。

小震發(fā)生的頻次對大震的預(yù)測研究具有重要作用。在京津冀地區(qū)的2個主要地震帶上，北京西部、北部地區(qū)臺站稀疏，理論上不能滿足 ML1.0的監(jiān)測下限。華北平原地震帶的西段，雖記錄到了小震級事件，但由于臺站稀疏，地震定位的精度有待提高。另外汾渭地震帶的中段，也由于臺站不多，理論上不能監(jiān)測 ML1.5以下的地震，而實(shí)際上也沒有監(jiān)測到ML1.0以下地震。因此建議補(bǔ)充北京西部地區(qū)與河北省汾渭地震帶中段的地震臺站，提高京津冀薄弱地區(qū)的地震監(jiān)測能力，從而有利于京津冀地區(qū)的地震監(jiān)測預(yù)測研究。